《J. Alloys Compd.》：超声雾化技术在镍基超级合金粉末制备中的创新突破

引言

在航空航天领域，镍基高温合金凭借出色的耐高温性能，一直是制造发动机关键部件的 “顶流材料”。而随着 3D 打印技术的发展，高质量镍基高温合金粉末的需求日益迫切。但传统粉末制备方法要么粉末质量不达标，要么效率低下，成为行业痛点。不过，大连理工大学团队最新研究提出的 “自冲击超声雾化（SIUA）” 方法，成功打破了这一僵局，为镍基高温合金粉末制备开辟了新路径。

正文

传统粉末制备困境

3D 打印对金属粉末的要求极为严苛，不仅需要高球形度、均匀的微观结构，还得有合适的粒径分布（15-154μm 为理想区间），这些特性直接决定了最终打印部件的性能。但目前主流的三种制备方法，都存在难以克服的短板：

气雾化（GA）：依赖高压惰性气体破碎熔滴，虽应用广泛，但气体消耗量大，制备高熔点合金成本极高，且粉末易出现卫星颗粒，流动性差。
水雾化（WA）：用高速水流雾化，成本低、产量高，可制备的粉末形状不规则，氧含量高，不适合反应性强或需要细粉末的场景。
等离子旋转电极法（PREP）：靠离心力甩碎熔滴，粉末球形度高、表面洁净，却只能处理导电棒材，材料利用率低，且设备昂贵，难以大规模生产。

更关键的是，镍基高温合金本身熔点高、熔融状态下粘性大、表面张力强，传统方法很难在保证粉末质量的同时提升效率。比如超声雾化（UA）技术虽能产出高球形度粉末，但面对这类高粘度材料时，产量极低，无法满足工业需求。

创新突破：自冲击超声雾化（SIUA）

为解决传统方法的痛点，大连理工大学团队以 GH4099 镍基高温合金为研究对象，在传统超声雾化基础上，加入 “自冲击” 设计，提出了 SIUA 方法。核心思路是通过控制熔滴下落高度，利用冲击能与超声振动协同作用，精准调控雾化过程中的空化效应，从而兼顾粉末质量与制备效率。

1. 关键参数优化

团队首先对影响雾化效果的核心参数进行了反复试验，最终锁定了两个关键指标：

电弧电流：电流过低会导致合金熔解不充分，熔滴与超声振子（TZM 合金材质）的润湿性差，无法形成均匀液膜；电流过高（如 200A）则会导致 Al、Ti 等轻元素挥发，粉末成分偏离设计。150A 成为最佳选择，既能保证熔滴充分熔融，又能最小化元素损耗。
熔滴质量：1.5g 的单熔滴在 150A 电流下，能在 20 秒内快速铺展成均匀液膜并启动雾化；若熔滴质量超过 2g，重力会抵消超声振动的铺展力，液膜形成延迟，雾化时间延长至 30 秒以上，效率大幅下降。

2. 下落高度

在 SIUA 方法中，熔滴下落高度是决定雾化效果的 “关键变量”。团队测试了 10mm（H10）、15mm（H15）、20mm（H20）三种高度，结果令人惊喜：

H10（低高度）：熔滴冲击力度小，主要依赖超声振动雾化，虽粉末合格率（15-154μm）达 84%，但雾化时间长达 24 秒，每小时产量仅 189g，效率偏低。
H20（高高度）：冲击力度过大，液膜过薄且易破裂，空化效应失控，粉末合格率骤降至 43%，还会产生大量不规则大颗粒，质量不达标。
H15（最佳高度）：熔滴冲击能与超声振动完美匹配，液膜厚度达到 “临界雾化厚度”，空化效应被精准调控，既能快速形成均匀液膜，又避免液膜破裂。此时，雾化时间缩短至 19 秒，15-154μm 粉末产量达 210g/h，合格率 74%，实现了效率与质量的双重突破。

SIUA 粉末优势：性能全面超越传统 PREP

为验证 SIUA 粉末的质量，团队将其与工业常用的 PREP 粉末进行了全方位对比，结果显示 SIUA 粉末在微观结构、球形度、成分均匀性上均实现超越。

1. 更高球形度：减少打印缺陷

通过 WinRoof 2018 软件分析，SIUA 粉末的平均球形度达 95.5%，且偏差仅 4.1%；PREP 粉末虽球形度也达 94.9%，但偏差高达 15.9%，部分粉末存在表面凹陷。更高的球形度意味着粉末流动性更好，在 3D 打印铺粉过程中能形成更致密的粉床，减少打印件中的孔隙缺陷。

2. 更均匀微观结构：提升力学性能

在电子显微镜下，两种粉末的微观差异一目了然：

PREP 粉末：采用离心力雾化，冷却速度较慢，微观结构以 “树枝晶” 为主，枝晶间存在明显的元素偏析，C、W、Mo 等碳化物形成元素聚集，生成大块状碳化物，易成为应力集中点，影响部件的高温强度。
SIUA 粉末：超声振动与冲击能协同作用，冷却速度更快，微观结构以 “胞状晶” 为主，碳化物被细化并均匀分散在晶界，元素偏析程度显著降低。这种结构能有效提升粉末的高温蠕变性能，更适合制造航空发动机等高温工况下的关键部件。

3. 无卫星颗粒：避免打印 “杂质”

传统 GA、WA 粉末常因雾化过程中熔滴碰撞，产生 “卫星颗粒”（附着在大粉末表面的细颗粒），这些颗粒会在打印过程中造成粉末团聚，影响成型质量。而 SIUA 方法中，高频超声场能将纳米级小熔滴快速分散，避免其与大熔滴碰撞，最终制备的粉末表面洁净，无卫星颗粒，为 3D 打印提供了更高质量的 “原材料”。

技术意义

SIUA 方法的突破，不仅解决了镍基高温合金粉末制备的 “效率 - 质量” 矛盾，更在理论层面为超声雾化技术的应用拓展了边界。

SIUA 通过引入 “自冲击” 设计，利用冲击能预先将熔滴铺展成薄液膜，为毛细波的形成创造了条件，同时通过调控下落高度，精准控制空化效应的强度，打破了 “高粘度材料难以超声雾化” 的技术瓶颈。

这一研究不仅为 GH4099 合金的 3D 打印应用提供了高质量粉末解决方案，还为其他高熔点、高粘度合金（如钛合金、高温合金）的粉末制备提供了可借鉴的技术路径。

图文导读

图1.(a)超声雾化（UA）设备实物图，(b)自冲击式超声雾化（SIUA）设备示意图，(c) UA过程原理。

图2.实验过程示意图：(a)液滴的SIUA过程，(b)有限元模型和边界条件。(c)样品制备过程及TEM观察前后形貌。(d)静置液滴接触角实验：（d1）不同质量的GH4099高温合金块（1.5±0.05 g、2.0±0.05 g、2.5±0.05 g），（d2）不同电弧电流（100、150、200 a）下在超声电极上熔化的GH4099高温合金熔滴形貌，（d3）测量GH4099熔滴接触角的接触角测定仪

图3.(a)不同电弧电流（100 a、150 a、200 a）和质量（1.5 g、2.0 g、2.5 g）下熔点的GH4099非原位无熔滴形貌，对应的接触角为左上角◦。(b) 2.0 g和2.5 g非原位无基滴在100 A时的不同底部形貌。(c)不同质量（1.5 g和2.0 g）液滴在150 A雾化过程中不同的临界液膜状态。